Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành CNTT Học viện công nghệ bưu chính viễn thông. Đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ thông tin PTIT
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.46 MB, 69 trang )
BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
HỌ VÀ TÊN SINH VIÊN
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
-------------------------------------
TRẦN ĐẠI NAM
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài: “Ứng dụng công nghệ Bluetooth trong
xây dựng hệ thống chỉ đường trong nhà”
LỚP
D15CNPM3
Giảng viên hướng dẫn :
TS. Ngô Quốc Dũng
Sinh viên thực hiện:
Trần Đại Nam
MSSV:
B15DCCN381
Lớp:
D15CNPM3
Hệ:
Đại học chính quy
HÀ NỘI - 2019
BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài: “Ứng dụng công nghệ Bluetooth trong xây dựng hệ thống chỉ
đường trong nhà”
Giảng viên hướng dẫn:
TS. Ngô Quốc Dũng
Sinh viên thực hiện:
Trần Đại Nam
MSSV:
B15DCCN381
Lớp:
D15CNPM3
Hệ:
Đại học chính quy
Đồ án tốt nghiệp Đại học
NHẬN XÉT
(Của giảng viên phản biện)
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
Hà Nội, 12/2019
Giảng viên phản biện
SV Trần Đại Nam – D15CNPM3
Đồ án tốt nghiệp Đại học
NHẬN XÉT
(Của giảng viên hướng dẫn)
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
Hà Nội, 12/2019
Giảng viên hướng dẫn
SV Trần Đại Nam – D15CNPM3
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Lời cảm ơn
LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn Khoa Công nghệ Thông tin 1, Học viện Cơng nghệ Bưu
chính Viễn thơng đã tạo điều kiện tốt cho em thực hiện đề tài này.
Em xin chân thành cảm ơn Thầy Ngô Quốc Dũng, là người đã tận tình hướng dẫn em,
giúp em giải quyết các vấn đề, chỉ bảo em trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quý Thầy Cô trong Khoa Công nghệ Thơng
tin 1 đã tận tình giảng dạy, trang bị cho em những kiến thức quí báu trong những năm học vừa
qua.
Em xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến Bố, Mẹ, các anh chị và bạn bè đã ủng hộ, giúp đỡ
và động viên em trong những lúc khó khăn cũng như trong suốt thời gian học tập và nghiên
cứu.
Mặc dù em đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng cho phép,
nhưng chắc chắn sẽ khơng tránh khỏi những thiếu sót, kính mong sự cảm thơng và tận tình chỉ
bảo của q Thầy Cơ và các bạn.
Sinh viên thực hiện
Trần Đại Nam
SV Trần Đại Nam – D15CNPM3
i
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Mục lục
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN.............................................................................................................................i
MỤC LỤC.................................................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT..............................................................iv
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................................v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................................vi
MỞ ĐẦU....................................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN BÀI TOÁN................................................................................2
1.1 Hệ thống định vị trong nhà................................................................................................2
1.1.1 Định nghĩa......................................................................................................................2
1.1.2 Phân loại.........................................................................................................................2
1.2 Đặt vấn đề............................................................................................................................4
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT............................................................................6
2.1 Đề xuất phương pháp.........................................................................................................6
2.2 Hệ thống định vị trong nhà bằng BLE..............................................................................6
2.2.1 Bluetooth........................................................................................................................6
2.2.2 Bluetooth Low-energy....................................................................................................7
2.2.3 Quét thiết bị BLE trên hệ điều hành Android................................................................8
2.2.4 Xác định vị trí người dùng.............................................................................................9
2.2.5 Lọc nhiễu RSSI thu được bằng bộ lọc Kalman............................................................12
2.3 Tổng qt về Unity............................................................................................................14
2.3.1 Unity là gì?...................................................................................................................14
2.3.2 Tính năng chính của Unity...........................................................................................15
2.3.3 Các thành phần chính trong Unity Editor.....................................................................15
2.3.4 Các khái niệm cơ bản trong Unity................................................................................17
2.4 Thực tế tăng cường...........................................................................................................21
2.4.1 Định nghĩa....................................................................................................................21
2.4.2 Cách thức và nguyên lý hoạt động...............................................................................22
2.4.3 Điểm khác so với thực tế ảo (VR)................................................................................24
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG CHỈ ĐƯỜNG TRONG NHÀ............................25
3.1 Môi trường xây dựng hệ thống........................................................................................25
3.2 Sơ đồ thiết kế.....................................................................................................................25
3.2.1 Sơ đồ Use Case.............................................................................................................25
SV Trần Đại Nam – D15CNPM3
ii
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Mục lục
3.2.2 Sơ đồ tuần tự................................................................................................................26
3.3 Khởi tạo project trong Unity...........................................................................................29
3.4 Xây dựng bản đồ số...........................................................................................................31
3.4.1 Dựng mặt bằng phòng của các tầng.............................................................................31
3.4.2 Dựng 3D mặt bằng các tầng.........................................................................................34
3.4.3 Tạo bản đồ đường đi và các phịng..............................................................................35
3.5 Tìm kiếm đường đi............................................................................................................36
3.5.1 Thuật tốn tìm kiếm đường đi Dijkstra........................................................................36
3.5.2 Áp dụng thuật toán Dijkstra vào Unity........................................................................38
3.6 Cài đặt thực tế tăng cường không mốc trong Unity......................................................39
3.6.1 Lấy hình ảnh của khơng gian thật bằng Camera của điện thoại...................................39
3.6.2 Cố định bản đồ số với Camera.....................................................................................40
3.7 Xác định vị trí hiện tại......................................................................................................41
3.7.1 Xác định vị trí các thiết bị BLE trong bản đồ số và trong không gian thật..................41
3.7.2 Quét các thiết bị BLE ở gần bằng plugin cho Unity....................................................42
3.7.3 Xác định vị trí hiện tại từ các cường độ tín hiệu thu được...........................................46
3.8 Tìm kiếm địa điểm bằng mã ảnh/mã QR........................................................................48
3.8.1 Vuforia SDK................................................................................................................48
3.8.2 Tạo cơ sở dữ liệu cho Vuforia SDK.............................................................................49
3.8.3 Tích hợp Vuforia vào Unity.........................................................................................50
3.8.4 Tìm kiếm địa điểm khi quét mã QR.............................................................................50
3.9 Thực nghiệm......................................................................................................................52
CHƯƠNG 4: TỔNG KẾT......................................................................................................53
4.1 Giao diện ứng dụng...........................................................................................................53
4.2 Kết luận..............................................................................................................................53
4.2.1 Đạt được.......................................................................................................................53
4.2.2 Hạn chế.........................................................................................................................55
4.3 Hướng phát triển trong tương lai....................................................................................55
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................56
SV Trần Đại Nam – D15CNPM3
iii
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
Nghĩa tiếng Việt
3D: 3 Dimentions
Không gian 3 chiều
AR: Augmented Reality
Thực tế tăng cường
BLE: Bluetooth low-energy
Bluetooth năng lượng thấp
GATT: Generic Attribute Profile
Tập hợp thuộc tính chung
GPS: Global Positioning System
Hệ thống Định vị Toàn cầu
IoT: Internet of Things
Vạn vật kết nối
RSSI: Received Signal Strength Indication
Chỉ báo cường độ tín hiệu thu được
SDK: Software Development Kit
Bộ công cụ phát triển phần mềm
SLAM: Simultaneous localization and mapping
Định vị và bình đồ (vẽ sơ đồ toàn cảnh)
đồng thời
UWB: Ultra-Wideband
Băng tần siêu rộng
VR: Virtual Reality
Thực tế ảo
Wi-fi: Wireless Fidelity
Mạng không dây
SV Trần Đại Nam – D15CNPM3
iv
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Danh mục các bảng, hình vẽ
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Các phương pháp xây dựng hệ thống định vị trong nhà............................................6
Bảng 2.2: Một số điểm khác nhau giữa Bluetooth truyền thống và BLE...................................7
Bảng 4.1: Phân bố của các phiên bản Android.........................................................................54
SV Trần Đại Nam – D15CNPM3
v
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Danh mục các bảng, hình vẽ
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sai số của GPS khi định vị trong nhà.........................................................................2
Hình 1.2: Mơ phỏng hệ thống định vị bằng UWB trong ngành Logistics (Nguồn:
SmartFactoryVN)........................................................................................................................3
Hình 1.3: Module BLE (Nguồn: robotshop.com).......................................................................3
Hình 1.4: Hệ thống định vị bằng sóng Wi-fi (Nguồn: ResearchGate)........................................4
Hình 1.5: Biển chỉ dẫn trong sân bay (Nguồn: Laura Davis).....................................................4
Hình 2.1: Biểu tượng của Bluetooth (Nguồn: CNet)..................................................................6
Hình 2.2: Cấu trúc của GATT [5]...............................................................................................8
Hình 2.3: Cách thức hoạt động của phương pháp so sánh dữ liệu (Nguồn: IOS Press)...........11
Hình 2.4: Cấu trúc mạng nơ-ron...............................................................................................12
Hình 2.5: RSSI đo được từ thiết bị BLE trong 60 giây từ khoảng cách cố định bằng BLE
Analyser....................................................................................................................................12
Hình 2.6: RSSI sau khi được lọc bởi bộ lọc Kalman................................................................13
Hình 2.7: Độ chênh lệch giữa giá trị RSSI thực và và giá trị đã lọc.........................................13
Hình 2.8: Biểu tượng của Unity (Nguồn: unity.com)...............................................................14
Hình 2.9: Các nền tảng mà trình Unity đã hỗ trợ (Nguồn: nanalyze.com)...............................14
Hình 2.10: Các thành phần chính của Unity Editor..................................................................15
Hình 2.11: Các GameObject trong Hierarchy...........................................................................17
Hình 2.12: Các Component của GameObject trong cửa sổ Inspector......................................18
Hình 2.13: Transform của một GameObject.............................................................................18
Hình 2.14: Các Scene trong folder Scenes với định dạng .unity..............................................18
Hình 2.15: Các Prefab trong folder Prefabs..............................................................................19
Hình 2.16: Các tệp tin chứa code trong thư mục Scripts..........................................................19
Hình 2.17: Component của Camera..........................................................................................19
Hình 2.18: Asset của một dự án................................................................................................19
Hình 2.19: Thơng tin của Sprite................................................................................................20
Hình 2.20: Canvas của ứng dụng..............................................................................................20
Hình 2.21: Trị chơi Pokemon GO (Nguồn: finacialexpress.com)...........................................21
Hình 2.22: Cơng nghệ thực tế tăng cường trong bóng đá (Nguồn: telegraph.co.uk)................21
Hình 2.23: Hệ thống hiển thị kính lái trên máy bay (Nguồn: airliners.net)..............................22
Hình 2.24: Các chiều quay của con quay hồi chuyển (Nguồn: ResearchGate)........................23
Hình 2.25: Con quay hồi chuyển trên điện thoại iPhone 4 (Nguồn: iFixit.com)......................23
Hình 2.26: Người dùng đeo Oculus và tay cầm để tương tác với thế giới ảo (Nguồn:
ideaing.com)..............................................................................................................................24
Hình 3.1: Sơ đồ Use Case.........................................................................................................25
Hình 3.2: Sơ đồ tuần tự chức năng Xác định vị trí hiện tại......................................................26
Hình 3.3: Sơ đồ tuần tự chức năng Tìm kiếm đường đi...........................................................27
Hình 3.4: Sơ đồ tuần tự chức năng Tìm kiếm đường đi bằng mã QR......................................28
Hình 3.5: Tạo project mới trong Unity.....................................................................................29
Hình 3.6: Đổi nền tảng cho project...........................................................................................29
Hình 3.7: Các thơng tin của ứng dụng......................................................................................30
SV Trần Đại Nam – D15CNPM3
vi
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Danh mục các bảng, hình vẽ
Hình 3.8: Mặt bằng tầng G được dựng bằng Visual Paradigm Online.....................................31
Hình 3.9: Mặt bằng tầng G sau khi chỉnh sửa...........................................................................31
Hình 3.10: Mặt bằng tầng 1......................................................................................................32
Hình 3.11: Mặt bằng tầng 2......................................................................................................32
Hình 3.12: Mặt bằng tầng 3......................................................................................................32
Hình 3.13: Mặt bằng tầng 4......................................................................................................32
Hình 3.14: Mặt bằng tầng 5......................................................................................................33
Hình 3.15: Mặt bằng tầng 6......................................................................................................33
Hình 3.16: Mặt bằng tầng 7......................................................................................................33
Hình 3.17: Mặt bằng tầng 8......................................................................................................33
Hình 3.18: Mặt bằng tầng 9 và tầng 10.....................................................................................34
Hình 3.19: Mặt bằng các tầng được xếp trong không gian 3 chiều..........................................34
Hình 3.20: Các node tại tầng G.................................................................................................35
Hình 3.21: Bản đồ đường đi và các phịng được tạo bởi các node...........................................35
Hình 3.22: Danh sách các node.................................................................................................36
Hình 3.23: Đường đi ngắn nhất được thể hiện bằng các điểm đỏ.............................................38
Hình 3.24: Khởi tạo các tập cho node và gán giá trị khoảng cách............................................38
Hình 3.25: Xét các node đến khi tập chứa chưa được xét rỗng................................................39
Hình 3.26: Canvas trống...........................................................................................................40
Hình 3.27: Canvas hiển thị nội dung trên Camera....................................................................40
Hình 3.28: Bản đồ số được đặt làm object con của Camera trong Hierarchy...........................40
Hình 3.29: Bản đồ được hiện lên trên nền hình ảnh Camera....................................................41
Hình 3.30: Các object BLE trong Unity...................................................................................41
Hình 3.31: Các thết bị BLE được đánh dấu là hình trịn màu xanh trong Unity......................42
Hình 3.32: Sơ đồ thiết bị BLE tầng 1.......................................................................................42
Hình 3.33: Khai báo các quyền truy cập cho ứng dụng............................................................43
Hình 3.34: Folder Android chứa AndroidManifest.xml và class.jar........................................45
Hình 3.35: RSSI đã được lọc của thiết bị BLE cách thiết bị di động 1m.................................46
Hình 3.36: Cách thức hoạt động của Vuforia (Nguồn: 3Pillar Global)....................................49
Hình 3.37: Cơ sở dữ liệu trên Vuforia......................................................................................49
Hình 3.38: Tích hợp Vuforia vào Unity....................................................................................50
Hình 3.39: Kết quả hiển thị khi quét mã...................................................................................51
Hình 3.40: Cường độ tín hiệu đo được.....................................................................................52
Hình 3.41: Kết quả thực tế đo được..........................................................................................52
Hình 4.1: Giao diện của ứng dụng............................................................................................53
Hình 4.2: Đường đi được hiển thị trên ứng dụng......................................................................54
SV Trần Đại Nam – D15CNPM3
vii
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Mở đầu
MỞ ĐẦU
Hiện tại, với tốc độ đơ thị hóa đến chóng mặt, càng ngày càng nhiều tịa nhà cao tầng,
các khu đơ thị, trung tâm thương mại, bệnh viện, đường xá, … được mọc lên. Theo như báo
cáo của Ngân hàng Thế giới, vào năm 2018 [1], cả nước ta có 828 đơ thị, với tỉ lệ đơ thị hóa
tăng nhanh, đạt đến 38%. Điều này đặt ra hạn chế lớn cho các hệ thống định vị, điều hướng do
sự suy hao gây ra bởi các bức tường, bê tông và các vật cản khác.
Hệ thống định vị tồn cầu (GPS) là cơng nghệ định vị được ứng dụng rộng rãi hiện
nay để xác định vị vị trí, tìm đường, … Tuy nhiên, đối với mơi trường trong nhà và cơng
trình, GPS khơng thể ứng dụng được vì các bức tường và các vật dụng trong nhà gây ra sự suy
hao và thiếu chính xác cho hệ thống định vị trên [2]. Để khắc phục nhược điểm của công nghệ
này, các hệ thống định vị, điều hướng trong nhà hay còn gọi là hệ thống chỉ đường trong nhà
đã được đề xuất.
Ngày nay, định vị và điều hướng trong nhà là xu thế nghiên cứu được nhiều nhà khoa
học trong nước và trên thế giới quan tâm. Hệ thống định vị và điều hướng trong nhà đang và
có thể được ứng dụng rất nhiều trong các tình huống thực tế hiện nay như: tìm địa điểm của
người trong nhà và cơng trình, tìm kiếm phòng bệnh trong bệnh viện, … Một số hướng
nghiên cứu xây dựng hệ thống định vị trong nhà phổ biến: hệ thống định vị trong nhà dựa vào
cường độ tín hiệu thu được RSSI từ các thiết bị Bluetooth đã lắp đặt trước, hoặc dựa vào
cường độ tín hiệu thu được từ thiết bị phát Wi-fi, …
Trong đồ án này, em sẽ khảo sát và nghiên cứu về hệ thống định vị trong nhà dựa vào
cường độ tín hiệu thu được RSSI từ các thiết bị phát Bluetooth (BLE). Để người dùng có thể
sử dụng và trải nghiệm dễ dàng, em sẽ sử dụng thực tế tăng cường để thể hiện bản đồ của tịa
nhà trong khơng gian 3 chiều được dựng trong Unity3D. Ngoài ra, em cũng sử dụng Vuforia
SDK để giúp người dùng có thể tìm kiếm điểm đến bằng cách quét mã QR.
Đồ án này sẽ giới thiệu về các phương pháp để xác định vị trí trong nhà và đề xuất giải
pháp tối ưu. Sau đó là nội dung về xây dựng hệ thống chỉ đường trong nhà trên Unity. Cuối
cùng là chương tổng kết về những thành quả đã đạt được, những hạn chế còn tồn tại và hướng
phát triển trong tương lai của ứng dụng này.
SV Trần Đại Nam – D15CNPM3
1
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương 1: Tổng quan bài tốn
CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN BÀI TỐN
1.1 Hệ thống định vị trong nhà
1.1.1 Định nghĩa
Hệ thống định vị trong nhà là một hệ thống các thiết bị dùng để xác định vị trí của
người hoặc vật thể trong một cơng trình như tòa nhà cao tầng, sân bay, bệnh viện, bãi đỗ xe,
hầm ngầm, … thay thế những hệ thống định vị bằng vệ tinh như GPS do hoạt động không
hiệu quả và sai số quá lớn, dẫn đến định vị sai.
Hình 1.1: Sai số của GPS khi định vị trong nhà
1.1.2 Phân loại
Ngày nay, định vị và điều hướng trong nhà là xu thế nghiên cứu được nhiều nhà khoa
học trong nước và trên thế giới quan tâm vì đây là nền tảng để phát triển rất nhiều các hệ
thống IoT như: theo dõi con người, quảng cáo dựa vào vị trí, tìm kiếm điểm đỗ xe, … Một số
hướng nghiên cứu xây dựng hệ thống định vị trong nhà như:
Định vị khơng dùng sóng vơ tuyến
- Định vị bằng từ trường: dựa vào các thay đổi cục bộ mà các thanh sắt có trong cơng
trình tạo ra trong trường từ tính của Trái Đất.
- Đo lường bằng quán tính: định lượng vị trí hiện tại bằng các cảm biến như con quay
hồi chuyển, gia tốc kế,… và lọc các dữ liệu đo được bằng bộ lọc Kalman. Các thuật
toán trong Định vị và bình đồ đồng thời (SLAM) cũng được sử dụng để tăng độ tin
cậy cho kết quả thu được.
- Định vị bằng hình ảnh của các mốc trực quan: mỗi mốc được đặt ở vị trí đã được xác
định trước, thiết bị sử dụng thị giác máy để quét các mốc và xác định góc độ, khoảng
cách so với mốc để lấy được vị trí của thiết bị.
SV Trần Đại Nam – D15CNPM3
2
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương 1: Tổng quan bài tốn
Định vị bằng sóng, mạng khơng dây
- Băng tần siêu rộng (UWB): là sóng có phạm vi hẹp, băng tần rộng. Để có thể định vị
được vị trí trong cơng trình, việc cài đặt các thẻ định vị dựa trên máy khách là bắt
buộc. Các thẻ này truyền vị trí của chúng vào điện thoại thơng minh – thơng qua
khóa trực USB được cắm trực tiếp vào điện thoại hoặc qua Bluetooth. Trên điện
thoại thơng minh có một ứng dụng được cài đặt chứa bản đồ kỹ thuật số xác định và
hiển thị vị trí hiện tại. Hệ thống có độ trễ rất thấp và có thể yêu cầu vị trí 100
lần/giây. Hệ thống này được sử dụng chủ yếu trong mơi trường cơng nghiệp vì
phương pháp này địi hỏi các thành phần phù hợp. Phương pháp này tiêu tốn nhiều
chi phí vì phải lắp đặt nhiều thiết bị. Độ chính xác của phương pháp này có thể đến
10 – 30 cm.
Hình 1.2: Mơ phỏng hệ thống định vị bằng UWB trong ngành
Logistics (Nguồn: SmartFactoryVN)
-
Bluetooth: dựa vào cường độ tín hiệu đo được từ các bộ phát Bluetooth (BLE) mà ta
có thể xác định được khoảng cách giữa thiết bị cần định vị và các bộ phát. Từ đó, có
thể tìm ra được vị trí xấp xỉ của vị trí hiện tại. Định vị trong nhà bằng BLE khá phổ
biến vì các thiết bị BLE rất tiết kiệm năng lượng, có giá thành rẻ và có nhiều nhà sản
xuất phần cứng tiếp thị những thiết bị nhỏ này. Ngoài ra, tất cả các thiết bị thơng
minh đều có thể bắt được sóng Bluetooth nên các hệ thống định vị trong nhà bằng
BLE rất dễ triển khai. Mỗi thiết bị BLE phải được đặt mỗi 7 – 10 m tùy theo độ
chính xác mong muốn. Độ chính xác tốt nhất của hệ thống định vị trong nhà bằng
BLE là 1 – 3 m.
SV Trần Đại Nam – D15CNPM3
3
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương 1: Tổng quan bài tốn
Hình 1.3: Module BLE (Nguồn: robotshop.com)
-
Mạng khơng dây Wi-fi: đầu tiên cần đo cường độ của tín hiệu nhận được từ các bộ
phát Wi-fi, rồi nhập dữ liệu vào cơ sở dữ liệu. Thiết bị cần định vị cũng sẽ đo cường
độ của Wi-fi và so sánh với dữ liệu đã có để xác định vị trí. Tuy nhiên, để có thể xác
định chính xác, cần có nhiều bộ phát Wi-fi và dữ liệu chi tiết, dẫn đến tăng chi phí
lắp đặt và bảo trì. Hiện tại, mới chỉ các thiết bị thơng minh chạy trên hệ điều hành
Android có thể áp dụng định vị bằng Wi-fi nên tính ứng dụng chưa cao. Độ chính
xác của phương pháp này là 5 – 15m.
Hình 1.4: Hệ thống định vị bằng sóng Wi-fi (Nguồn: ResearchGate)
1.2 Đặt vấn đề
Hiện tại, các thành phố trên thế giới đang không chỉ tăng về số lượng mà cịn tăng cả
về diện tích. Các tịa nhà trọc trời, các khu trung tâm thương mại nằm dưới mặt đất, hay các
khu tổ hợp rộng hàng ki-lô-mét vuông đang mọc lên ngày càng nhiều. Các “khu rừng bê tông”
dần dần chiếm trọn diện tích của các thành phố.
Để có thể định hướng ở trong các cơng trình lớn, người ta thường sử dụng các biển chỉ
dẫn hoặc vạch kẻ đường. Nhưng các biện pháp này có nhiều hạn chế vì người đi phải liên tục
tìm kiếm chỉ dẫn và rất dễ đi lạc nếu đi quá các biển chỉ dẫn. Khơng những thế, biển chỉ dẫn
thường chỉ có thể chỉ đường đến các tầng hoặc khu vực nhất định, chứ không chỉ được chi tiết
đến các không gian nhỏ như các phịng, quầy nhỏ, … Cho nên cần có các hệ thống định vị và
chỉ đường trong nhà để mọi người có thể tìm đường đi một cách dễ dàng và trực quan.
SV Trần Đại Nam – D15CNPM3
4
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương 1: Tổng quan bài tốn
Hình 1.5: Biển chỉ dẫn trong sân bay (Nguồn: Laura Davis)
Hệ thống định vị được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là Hệ thống định vị toàn cầu
(GPS). GPS là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo, do Bộ Quốc
phịng Hoa Kỳ thiết kế, xây dựng, vận hành và quản lý. Trong cùng một thời điểm, tọa độ của
một điểm trên mặt đất sẽ được xác định nếu xác định được khoảng cách từ điểm đó đến ít nhất
ba vệ tinh. Các máy thu GPS ngày nay khá chính xác ở trong mơi trường thích hợp, nhờ
vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song của chúng. Các máy thu dùng 12 kênh song song
nhanh chóng khóa vào các vệ tinh khi mới bật lên và chúng duy trì kết nối liên tục [3].
Tuy nhiên, khi người dùng hoặc máy thu GPS đang ở trong một tòa nhà hay ở dưới
mặt đất, độ sai số của GPS trở nên đáng kể. Nguyên nhân của việc này là các sóng truyền các
tín hiệu của GPS ở tần số 1575.42MHz (tần số cực cao) và khó có thể đi xuyên qua các vật
rắn. Khi bạn ở trong một cơng trình, các tín hiệu từ vệ tinh bị chặn lại và làm suy hao bởi các
vật thể như tường, đồ vật trong phòng, hay bị xung đột với các sóng khác cũng có tần số cực
cao như sóng ăng-ten TV. Điều này làm việc định vị chính xác vị trí của bạn bằng GPS trở
nên khơng thể. GPS chỉ có thể hoạt động hiệu quả khi mà bạn ở ngồi trời, nơi mà bạn có thể
nhận được các tín hiệu GPS một cách trực tiếp.
Ngồi ra, hầu hết các ứng dụng định vị, điều hướng hiện tại chỉ có thể biểu diễn vị trí
và bản đồ số trong không gian 2 chiều. Điều này làm hạn chế việc xác định vị trí trong các
cơng trình có nhiều tầng. Người dùng khó có thể xác định đường đi nếu đường đi đó đi qua
nhiều tầng.
Bài tốn được đặt ra là: “Làm thế nào để có thể xác định được vị trí của người hoặc đồ
vật trong một cơng trình và biểu diễn vị trí, đường đi một cách trực quan?”
SV Trần Đại Nam – D15CNPM3
5
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương 2: Phương pháp đề xuất
CHƯƠNG 2:
PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT
2.1 Đề xuất phương pháp
Trong các phương pháp xây dựng hệ thống định vị, điều hướng trong nhà nêu trên,
mỗi hệ thống đều có các đặc thù và ưu điểm riêng. Tuy nhiên, các hệ thống định vị bằng sóng
có sự vượt trội hơn các hệ thống khác về độ chính xác.
Bảng 2.1: Các phương pháp xây dựng hệ thống định vị trong nhà
Qua đánh giá trong bảng 2.1, ta có thể thấy phương pháp xây dựng hệ thống định vị,
điều hướng trong nhà bằng các thiết bị BLE hợp lý nhất. Mặc dù chỉ có thể xác định được vị
trí xấp xỉ của người dùng với độ chính xác 1 – 3 m, hệ thống định vị trong nhà bằng thiết bị
BLE có các ưu điểm như: các thiết bị BLE nhỏ gọn, dễ triển khai, giá thành rẻ, tiết kiệm năng
lượng và được hỗ trợ bởi nhiều thiết bị hơn so với các hệ thống định vị trong nhà khác. Do đó,
đồ án sẽ được trình bày về hệ thống định vị trong nhà bằng thiết bị BLE.
Để biểu diễn vị trí, đường đi trên bản đồ số, thực tế ảo tăng cường được xây dựng trên
nền tảng Unity là lựa chọn hợp lý nhất. Người dùng có thể dễ dàng so sánh thơng tin mà thực
tế tăng cường đưa ra với môi trường thật.
2.2 Hệ thống định vị trong nhà bằng BLE
2.2.1 Bluetooth
Bluetooth là cơng nghệ sóng khơng dây thường, sử dụng sóng ngắn có tần số cực cao
trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị trong một khoảng cách ngắn. Bluetooth hoạt động ở dải tần
2402 đến 2480 MHz hoặc 2400 đến 2483.5 MHz [4].
Hình 2.6: Biểu tượng của Bluetooth (Nguồn: CNet)
SV Trần Đại Nam – D15CNPM3
6
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương 2: Phương pháp đề xuất
2.2.2 Bluetooth Low-energy
Bluetooth Low-Energy hay BLE (Bluetooth năng lượng thấp) là công nghệ về mạng
cá nhân không dây được phát triển bởi Bluetooth Special Interest Group. BLE được ứng dụng
trong các lĩnh vực như chăm sóc sức khỏe, mốc hiệu, an ninh, dịch vụ giải trí trong nhà,… So
với Blueooth truyền thống, BLE tiêu tốn ít năng lượng hơn và giá thành rẻ hơn. Hiện nay, các
hệ điều hành trên di động như iOS, Android, Windows Phone, BlackBerry và các hệ điều
hành trên máy tính như macOS, Linux, Windows 8, Windows 10 đều hỗ trợ BLE. Nó cũng sử
dụng các dải tần 2.4 GHz như Bluetooth truyền thống [5].
Bluetooth truyền thống
Bluetooth Low-energy
Tầm phát
Lý thuyết: 100m
Thực tế: 50m
Lý thuyết: <100m
Thực tế: 10 – 30m
Tốc độ truyền dữ liệu
trong không gian
1 - 3 Mbit/giây
125 kbit/giây – 1 Mbit/giây – 2
Mbit/giây
Thông lượng
0,7 – 2,1 Mbit/giây
0,27 – 1,37 Mbit/giây
Số thiết bị ngoại vi
7
Tùy vào cài đặt
Độ trễ (từ trạng thái
không hết nối)
Khoảng 100ms
6 ms
Năng lượng tiêu thụ
1W
0,01 – 0,5 W (Tùy vào mục đích
sử dụng)
Dòng điện tiêu thụ tối <30 mA
<15 mA
đa
Bảng 2.2: Một số điểm khác nhau giữa Bluetooth truyền thống và BLE
Vào năm 2013, Apple ra mắt thiết bị iBeacon dựa trên BLE, điều này đã làm cho các
thiết BLE trở nên phổ biến hơn. Các thiết bị Bluetooth Low-energy sử dụng Generic Attribute
Profile (GATT), tạm dịch là Tập hợp thuộc tính chung để truyền dữ liệu. Một số thuật ngữ
trong GATT:
-
Thiết bị ngoại vi (Client): Thiết bị khởi tạo các câu lệnh, yêu cầu và nhận các phản
hồi GATT. Ví dụ như điện thoại di dộng, máy tính.
Thiết bị trung tâm (Server): Thiết bị nhận các câu lệnh, yêu cầu và đưa ra phản hồi
GATT. Ví dụ như cảm biến nhiệt độ
Đặc tính (Characteristic): Một giá trị dữ liệu được truyền giữa thiết bị ngoại vi và
thiết bị trung tâm. Ví dụ như điện thế của dòng điện
Dịch vụ (Service): Một nhóm các đặc tính liên quan với nhau, thực hiện một chức
năng nhất định.
SV Trần Đại Nam – D15CNPM3
7
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương 2: Phương pháp đề xuất
Hình 2.7: Cấu trúc của GATT [5]
2.2.3 Quét thiết bị BLE trên hệ điều hành Android
Phiên bản Android 4.3 (API level 18) đã giới thiệu nền tảng tích hợp hỗ trợ cho
Bluetooth Low-energy để các thiết bị chạy hệ điều hành Android có thể phát hiện các thiết bị
BLE, gửi yêu cầu dịch vụ và truyền dữ liệu [6].
Cấp quyền truy cập cho BLE:
Để sử dụng các chức năng về Bluetooth trong ứng dụng, cần phải khai báo quyền sử
dụng Bluetooth là BLUETOOTH và BLUETOOTH_ADMIN. Quyền này cho phép
ứng dụng yêu cầu kết nối, đồng ý kết nối và truyền dữ liệu. Ngoài ra, phải khai báo
quyền truy cập vị trị chính xác ACCESS_FINE_LOCATION. Nếu khơng khai báo,
kết quả qt sẽ trả về rỗng.
Trong trường hợp chỉ cần tương tác với các thiết bị BLE, thì phải khai báo thêm
Sau đó, ứng dụng cần lấy được BluetoothAdapter. BluetoothAdapter là Bluetooth của
chính thiết bị mà ứng dụng đang chạy trên và ứng dụng tương tác với
BluetoothAdapter như một đối tượng.
Quét các thiết bị BLE:
Để bắt đầu tìm kiếm các thiết bị BLE, ứng dụng gọi hàm startLeScan(). Hàm này dùng
với tham số là BluetoothAdapter.LeScanCallback để nhận được kết quả trả về là thông
tin các thiết bị BLE mà thiết bị quét được (tên, RSSI, địa chỉ MAC, nhãn thời gian của
thiết bị BLE)
SV Trần Đại Nam – D15CNPM3
8
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương 2: Phương pháp đề xuất
Nếu cần quét một loại BLE nhất định, thêm UUID của thiết bị ngoại vị đó trong hàm
startLeScan(UUID[], BluetoothAdapter.LeScanCallback). các dịch vụ của GATT sẽ
chỉ quét các thiết bị có UUID trên.
Từ các thông tin mà ứng dụng quét được từ thiết bị BLE, ta có thể xác định được vị trí
người dùng.
2.2.4 Xác định vị trí người dùng
Hiện nay, các hệ thống định vị trong nhà sử dụng 2 phương pháp chính:
a) Dựa vào khoảng cách đến các thiết bị BLE:
Các thiết bị Bluetooth Low-energy được gắn cố định vào từng vị trí và được gán một
tọa độ nhất định. Người dùng đo cường độ tín hiệu của các thiết bị BLE, từ đó tính được
khoảng cách tương đối của người dùng đến các thiết bị BLE bằng công thức:
(
d=10
P −RSSI
)
10∗N
(1)
d: khoảng cách giữa người dùng và thiết bị RSSI
P: cường độ tín hiệu của BLE ở khoảng cách 1m
RSSI: cường độ tín hiệu của BLE mà người dùng đo được
N: hằng số môi trường (2 ≤ N ≤ 4)
Dựa vào các thuật tốn tìm tọa độ trong khơng gian, ta có thể tìm được vị trí tương đối
hoặc khoảng không gian hiện tại của người dùng:
SV Trần Đại Nam – D15CNPM3
9
